用于测试手术机器人系统的测试单元的制作方法

1.本发明涉及一种用于测试手术机器人系统的至少一部分的测试单元。具体地讲，本发明涉及一种用于联接到手术机器人系统的一个或多个子系统以用于测试手术机器人系统的这些子系统的测试单元。


背景技术：

2.使用机器人来辅助和执行手术是已知的。图1示出了典型的手术机器人100，该手术机器人由基座108和臂102组成。器械105联接到臂。基座支撑机器人，并且本身刚性地附接到例如手术室地面、手术室天花板或推车。臂在基座与器械之间延伸。臂借助于沿其长度的多个柔性关节103而铰接，所述多个柔性关节用于将手术器械相对于患者定位在期望位置。手术器械附接到机器人臂的远端104。手术器械在端口107处穿透患者101的身体，以便接近手术部位。如图所示，该器械在其远端处包括用于进行医疗程序的末端执行器106。术语“器械”包含用于对手术部位成像的内窥镜，并且包括电外科器械。
3.手术机器人100由操作者(例如，外科医生)通过图2中所示的操作者控制台200远程控制。操作者控制台200可以位于与手术机器人100相同的房间(例如，手术室)中或远离手术机器人。操作者控制台200包括用于控制臂102和/或附接到其的器械105的状态的输入装置202、204。输入装置202、204可以是安装在平行四边形联动装置上的把手或手动控制器。控制系统将手动控制器的移动转换成控制信号，以移动手术机器人的臂、关节和/或器械末端执行器。操作者可以选择何时激活电外科工具(给其通电)。控制系统可确定电外科工具将通电，且可相应地生成另一控制信号。
4.操作者控制台200还包括显示器206。显示器206被布置成对操作输入装置202、204的用户可见。显示器用于显示手术部位的视频流(例如内窥镜视频)。
5.一些手术程序可能需要若干手术机器人，每个机器人携带器械或其它器具，该器械或器具与手术部位处的其它器具同时使用。图3示出了手术机器人系统300，该手术机器人系统具有在患者308身上的共同工作空间中操作的多个机器人302、304、306。例如，手术机器人通常用于内窥镜手术(例如腹腔镜手术)，其也可以被称为微创手术。如本领域技术人员所知，在内窥镜程序期间，外科医生将内窥镜通过身体的小切口或天然开口(例如但不限于口或鼻孔)插入。内窥镜是具有附接到其上的摄像头的刚性或柔性管，该摄像头将实时图像传输到视频监视器(例如，显示器206)，外科医生使用该视频监视器帮助引导他的工具穿过相同的切口/开口或穿过不同的切口/开口。内窥镜允许外科医生详细查看身体的相关区域，而不必切开并暴露相关区域。该技术允许外科医生看到患者身体内部并且通过比传统开放手术所需的小得多的切口操作。因此，在典型的机器人内窥镜手术中，存在附接到一个手术机器人臂的内窥镜和附接到一个或多个其它手术机器人臂的一个或多个其它手术器械，例如，一对钳子和/或剪刀。
6.内窥镜可以与它所安装到的机器人臂相接，或与机器人系统的另一部分相接，以向内窥镜提供电力和数据连接。电力连接可向内窥镜的铰接件和/或内窥镜的灯提供电力。
数据连接可以提供用于控制内窥镜的控制信号。内窥镜可以捕获静止和/或移动图像(视频)。数据连接适当地允许将图像从内窥镜传输，例如传输到操作者控制台以进行显示和/或存储。
7.除了内窥镜视频之外，包括遥测数据的数据可以在机器人臂(和联接到机器人臂的器械)和操作者控制台之间传递。此类数据可包括用于实现机器人臂和器械的操作的控制信号，以及由位于臂和/或器械上的传感器生成的感测数据。因此，数据可以与机器人系统的状态有关。能够以更灵活的方式确定机器人系统的状态将是有用的。


技术实现要素：

8.提供此发明内容以介绍下文在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
9.根据本发明的一个方面，提供一种用于测试手术机器人系统的手术机器人测试单元，所述手术机器人系统包括：第一子系统，所述第一子系统被配置成生成具有第一特征行为的第一信号；和第二子系统，所述第二子系统被配置成接收所述第一信号并响应所接收的第一信号，所述测试单元被配置成：
10.通过以下操作模仿所述第一子系统：
11.生成代表所述第一子系统的第一信号的模仿信号，所述模仿信号具有超过所述第一信号的第一特征行为的边界的模仿行为，使得所述测试单元可操作以超出所述第一子系统的能力测试所述第二子系统；
12.传输所生成的模仿信号以用于在所述第二子系统处接收；以及
13.从所述第二子系统接收响应信号，所述响应信号指示所述第二子系统对所述模仿信号的响应；
14.分析所接收的响应信号；以及
15.基于所述分析确定所述第二子系统的状态。
16.所述测试单元可被配置成通过将所接收的响应信号与预期信号进行比较来分析所接收的响应信号。所述第一特征行为的边界可包括最大信号值，并且所述测试单元可被配置成生成具有比所述最大信号值大的值的模仿信号。
17.所述第一特征行为的边界可包括最小信号值，并且所述测试单元可被配置成生成具有比所述最小信号值小的值的模仿信号。
18.所述测试单元可被配置成生成超过包含所述第一信号的第一值范围的值范围的模仿信号。
19.所述第一特征行为的边界可包括所述第一信号的可重复性指示，并且所述测试单元可被配置成生成具有比所指示的可重复性大的可重复性的模仿信号。所述可重复性指示可包括标准偏差，并且所述测试单元可被配置成生成具有比所述可重复性指示的标准偏差小的标准偏差的模仿信号。
20.所述第一特征行为的边界可包括所述第一信号的值的变化率，并且所述测试单元可被配置成生成具有比所述边界变化率大和/或小的变化率的模仿信号。
21.所述测试单元可被配置成从一组模仿信号生成一个或多个模仿信号，所述一组模
仿信号中的每个模仿信号代表可由所述第一子系统生成的信号。
22.所述测试单元可被配置成：
23.通过以下操作模仿所述第二子系统：
24.生成代表所述第二子系统的第二信号以用于在所述第一子系统处接收的另一模仿信号，所述第二信号具有第二特征行为，并且所述另一模仿信号具有超过所述第二信号的第二特征行为的另一边界的模仿行为，使得所述测试单元可操作以超出所述第二子系统的能力测试所述第一子系统；
25.传输所生成的另一模仿信号以用于在所述第一子系统处接收；以及
26.从所述第一子系统接收另一响应信号，所述另一响应信号指示所述第一子系统对所述另一模仿信号的响应；
27.分析所接收的另一响应信号与另一预期信号；以及
28.基于所述比较确定所述第一子系统的状态。
29.所述测试单元可被配置成通过将所接收的另一响应信号与另一预期信号进行比较来分析所接收的另一响应信号。所述第一子系统可包括控制台和床旁单元中的一个，并且所述第二子系统可包括所述控制台和所述床旁单元中的另一个。
30.所述测试单元可被配置成模仿多个控制台和/或床旁单元。所述模仿信号可以代表臂控制信号。所述模仿信号可包括一个或多个期望的关节扭矩和/或速度。所述模仿信号可代表器械控制信号。所述模仿信号可包括电外科信号。
31.所述模仿信号包括所述臂和/或所述器械的所需移动范围。
32.根据本发明的另一方面，提供了一种手术系统，包括：
33.手术机器人系统，所述手术机器人系统具有
34.第一子系统，所述第一子系统被配置成生成具有第一特征行为的第一信号，以及
35.第二子系统，所述第二子系统被配置成接收所述第一信号并且响应所接收的第一信号；以及
36.手术机器人测试单元，所述手术机器人测试单元被配置成：
37.通过以下操作模仿所述第一子系统：
38.生成代表所述第一子系统的第一信号的模仿信号，所述模仿信号具有超过所述第一信号的第一特征行为的边界的模仿行为，使得所述测试单元可操作以超出所述第一子系统的能力测试所述第二子系统；
39.传输所生成的模仿信号以用于在所述第二子系统处接收；以及
40.从所述第二子系统接收响应信号，所述响应信号指示所述第二子系统对所述模仿信号的响应；
41.分析所接收的响应信号；以及
42.基于所述分析确定所述第二子系统的状态。
43.根据本发明的另一方面，提供了一种测试手术机器人系统的方法，所述手术机器人系统包括：第一子系统，所述第一子系统被配置成生成具有第一特征行为的第一信号；和第二子系统，所述第二子系统被配置成接收所述第一信号并响应所接收的第一信号，所述方法包括：
44.生成代表所述第一子系统的第一信号的模仿信号，所述模仿信号具有超过所述第
一信号的第一特征行为的边界的模仿行为；
45.传输所生成的模仿信号以用于在所述第二子系统处接收；
46.从所述第二子系统接收响应信号，所述响应信号指示所述第二子系统对所述模仿信号的响应；
47.分析所接收的响应信号；以及
48.基于所述分析确定所述第二子系统的状态，从而超出所述第一子系统的能力测试所述第二子系统。
49.根据本发明的另一方面，提供了一种被配置成执行本文所述的方法的测试单元。
50.根据本发明的另一方面，提供了一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括：机器人，所述机器人具有基座以及从所述基座延伸到用于器械的附接件的臂；以及测试单元，所述测试单元被配置成执行本文所述的方法。
51.根据本发明的另一方面，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令当在计算机系统处执行时使所述计算机系统执行如本文所述的方法。
52.以上任何方面的任何特征可与以上任何方面的任何一个或多个其它特征组合。任何方法特征都可以被撰写为设备特征，反之亦然。
附图说明
53.现在将参考附图以举例的方式描述本发明。
54.在附图中：
55.图1示意性地示出了执行示例手术程序的示例手术机器人；
56.图2示意性地示出了示例操作者控制台；
57.图3示意性地示出了具有多个手术机器人的示例手术机器人系统；
58.图4示意性地示出了手术机器人系统的典型设置；
59.图5a示意性地示出了具有测试单元的手术机器人系统；
60.图5b示意性地示出了具有测试单元的另一手术机器人系统；
61.图6示意性地示出了测试单元与手术机器人系统的子系统之间的联接布置；
62.图7示意性地示出了操作者控制台的示例；
63.图8示意性地示出了床旁单元的示例；
64.图9示意性地示出了测试单元的示例；以及
65.图10示出了操作测试单元的方法。
具体实施方式
66.以下描述以举例的方式呈现，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明不限于本文所述的实施例，并且对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。实施例仅通过示例的方式来描述。
67.手术机器人系统通常将包括许多不同的子系统。例如操作者控制台和一个或多个床旁单元的子系统彼此交互以实现机器人系统作为整体的功能。操作者控制台可以可操作地控制机器人臂和联接到床旁单元的器械，并且可以从床旁单元接收响应。可以将机器人
系统的各种子系统连接在一起并操作系统，以便能够通过监测在子系统之间传输的数据来确定各种子系统或整个系统的状态。
68.在改进的方法中，手术机器人测试单元可以联接到机器人系统的一个或多个子系统。测试单元可以例如通过生成信号并将其传输到被测子系统来模仿另一个子系统。测试单元可以监测被测子系统的响应，并且由此可以确定被测试子系统的状态。例如，测试单元可以联接到具有安装到其上的臂的床旁单元。测试单元可以生成驱动信号以便以特定方式驱动臂关节。测试单元可以监测传感器信号，例如来自臂上的扭矩和/或加速度传感器的信号，以确定臂如何响应驱动信号。如果臂以非预期的方式动作，测试单元可以确定臂中已出现故障。因此，测试单元可用于诊断一个或多个子系统中的故障。测试单元还可通过分析对可以是预定的一系列测试信号中的一个或多个的响应而用于维护测试。
69.本文中所描述的测试单元的优点在于其能够超出其模仿的子系统的能力生成信号。例如，它可以生成在被模仿的子系统的信号范围之外的信号。测试单元可以适当地生成以比从被模仿的子系统可能的速度快或慢的速率改变的信号。测试单元可以适当地生成具有比从被模仿子系统可能更高的重复性的信号。这可以实现测试子系统的更高准确性。
70.使测试单元能够利用具有超过不同子系统信号的边界信号特征的特征的信号测试相应子系统意味着测试单元可以“应力测试”相应子系统。也就是说，测试单元可以在比在手术机器人系统的标准操作期间所经历的更极端的条件下测试相应的子系统。这种测试方法允许在标准操作期间子系统的响应具有更大的可信度。
71.手术机器人测试单元用于测试手术机器人系统。适当地，手术机器人系统包括第一子系统。第一子系统可以是操作者控制台或床旁单元。第一子系统被配置成生成具有第一特征行为的第一信号。机器人系统包括第二子系统，例如床旁单元或操作者控制台，该第二子系统被配置成接收第一信号并响应所接收的第一信号。测试单元被配置成模仿第一子系统。测试单元通过生成模仿信号适当地模仿第一子系统。模仿信号代表第一子系统的第一信号。模仿信号具有模仿行为。模仿的行为超过第一信号的第一特征行为的边界，使得测试单元可操作以超出第一子系统的能力测试第二子系统。
72.测试单元还可以通过传输所生成的用于在第二子系统处接收的模仿信号来进一步模仿第一子系统。测试单元还被配置成从第二子系统接收指示第二子系统对模仿信号的响应的响应信号。
73.测试单元被配置成将所接收的响应信号与预期信号进行比较，并基于该比较确定第二子系统的状态。
74.因此，测试单元可以通过向第二子系统传输所需信号并监测第二子系统对传输信号的响应来对第二子系统执行维护或诊断测试。
75.通常，操作者控制台可被认为是手术机器人系统的子系统。床旁单元可被视为手术机器人系统的又一子系统。可以比这更高的概括水平来获得这些子系统。例如，多个床旁单元可以联接在一起并且作为整体被视为子系统。可以较低的概括水平来获得这些子系统。例如，联接到臂的器械或内窥镜可以被认为是子系统。联接到床旁单元的机器人臂可以被认为是子系统。操作者控制台内的处理或控制模块可以被认为是子系统。然而，精确划分哪些被视为手术机器人系统的子系统并不重要。
76.本技术适用于手术机器人系统的一部分可以接收输入并响应于所接收的输入生
成输出的情况。这使得该部分能够被测试单元“查询”。该部分对测试单元查询的响应可用于常规维护和/或故障诊断程序中。
77.在以下论述中，床旁单元将被认为是手术机器人系统的子系统。床旁单元可以具有附接到其上的机器人臂。出于本讨论的目的，当附接到床旁单元时，机器人臂也可以被认为是该子系统的一部分。机器人臂可以具有附接到其上的器械或内窥镜。出于本讨论的目的，当附接到臂时，还可以认为器械或内窥镜是该子系统的一部分。应当理解，机器人臂和器械不需要是床旁单元子系统的一部分。
78.图4中示出了手术机器人系统400的典型设置。图4示出了联接到三个床旁单元：床旁单元a 404、床旁单元b 406和床旁单元c 408的操作者控制台402。在所示的布置中，床旁单元c 408位于患者台410的一侧，床旁单元a 404和b 406位于患者台410的另一侧。每个床旁单元直接联接到操作者控制台402。在其它布置中，床旁单元可以串联地联接在一起，并且操作者控制台联接到床旁单元中的第一床旁单元。
79.图5a示出如图4中的手术机器人系统500，但增加了测试单元502。可以提供测试单元以便直接联接到操作者控制台和/或床旁单元中的任何一个或多个。在图5a的示例性布置中，测试单元502联接到床旁单元，同时它们保持联接到操作者控制台。在此布置中，测试单元502可操作以测试操作者控制台和床旁单元中的一个或多个，而不需要将控制台或床旁单元与系统的其它部分断开。这种方法使得测试单元能够以方便的方式联接到机器人系统，而不需要重组机器人系统本身。
80.因此，测试单元502可以快速方式可操作地联接到机器人系统500。当在不执行手术程序时执行测试的情况下，能够以最小的破坏将测试单元502联接到机器人系统可减少机器人系统不能执行手术程序的停机时间。因此，可以用有效方式执行维修检查或故障诊断程序。如果需要更换，例如因为联接到机器人系统的器械存在故障，这可以在系统用于另一程序之前完成。如果检测到故障并且仅在另一程序开始时进行更换，这有可能减少有害中断。在不需要更换的情况下，测试单元502可以与手术系统分离，使得手术系统能够准备好进行另一个程序，而不需要重新连接在一起。
81.另一种方法是当手术机器人系统的子系统与手术机器人系统的其余部分分离时，将测试单元502联接到该子系统。此方法在图5b中示出，其示出联接到床旁单元c 408的测试单元502。床旁单元c不联接到操作者控制台402。这种方法使测试单元502能够测试床旁单元c 408，而没有来自从操作者控制台402发送的信号的潜在干扰。因此，这种替代方法可以使操作者控制台能够继续与其它床旁单元404、406通信，例如用于重新定位那些床旁单元的臂和/或器械。因此，当在系统的另一部分上执行测试时，手术机器人系统的其余部分可准备用于另一手术程序。此布置还允许操作者控制台402在手术程序期间在床旁单元c 408经受测试单元502的测试时可操作地控制床旁单元a 404和床旁单元b 406。在此布置中，床旁单元c 408不必保持或位于患者台410附近。
82.适当地，测试单元502被配置成一次联接到最多三个床旁单元，如图6所示，但是在其它配置中，测试单元502可联接到更多或更少的床旁单元。测试单元502联接到床旁单元a 404、床旁单元b 406和床旁单元c 408。在此配置中，测试单元被适当地配置成在与床旁单元相接时模仿操作者控制台。因此，测试单元可以生成适当的信号，例如用于驱动臂和/或床旁单元的器械的驱动信号。
83.测试单元502还适当地能够联接到操作者控制台402(如图6中的虚线指示)。此连接可与测试单元502与床旁单元之间的连接同时进行，但无需如此。在一种方法中，测试单元502被配置成当测试单元502未联接到床旁单元时联接到操作者控制台402。在测试单元502联接到操作者控制台402(无论是否也联接到一个或多个床旁单元)的配置中，测试单元被适当地配置成模仿一个或多个床旁单元(任选地包括相应的臂，潜在地还包括手术器械和/或内窥镜)。这样，测试单元可以与操作者控制台交互，使得操作者控制台看起来像联接到一个或多个实际床旁单元一样。操作者控制台响应于模仿床旁单元信号的信号的行为因此可由测试单元502测试。
84.现在将参考图7到图9进一步描述操作者控制台、床旁单元和测试单元。操作者控制台的说明性示例在图7中示出。操作者控制台402包括一个或多个输入控制器702、具有信号发生器706的运动学控制器704、存储器708和收发器710。通常提供两个输入控制器，用于由诸如外科医生的操作者的手操纵。输入控制器的其它示例包括脚踏板、眼睛跟踪传感器、手势传感器、触敏接口、音频传感器，例如语音激活接口等。输入控制器702联接到运动学控制器704。运动学控制器用于处理从输入控制器接收的信号，并生成适当的信号，例如用于驱动机器人臂和器械的驱动信号。运动学控制器704适当地响应来自床旁单元(例如，臂和/或器械上)处的传感器的传感器信号。运动学控制器可包括信号发生器单元706，以用于生成信号以传输到床旁单元。在一些实施方案中，不需要将信号发生器提供为不同的模块。在一些实施方案中，信号发生器可以作为单独的模块提供。运动学控制器联接到存储器708，例如，以访问与床旁单元有关的存储的传感器读数和/或先前生成的信号，例如要从其生成当前驱动信号的驱动信号。输入控制器702还可直接耦合到存储器708，例如以存储输入控制器信号。运动学控制器联接到收发器710，这有助于将由操作者控制台生成的信号传输到另一个子系统。收发器还促进从此类其它子系统接收信号。所接收的信号可以在操作者控制台处处理，例如在运动学控制器处处理。
85.应了解，出于理解本技术的目的，上述对操作者控制台的描述已专注于操作者控制台的选定元件。此描述不一定被认为是此类操作者控制台的实际实施的完整描述。
86.图8中示出了床旁单元800的示例。床旁单元包括传感器802，该传感器包括臂传感器804和器械(和/或内窥镜)传感器806。床旁单元还包括致动器808，该致动器包括臂致动器810和器械(和/或内窥镜)致动器812。如图所示，床旁单元还包括电外科发生器814。应理解，仅当电外科器械联接到机器人臂时需要提供电外科发生器。床旁单元还包括处理器816、存储器820和收发器822。
87.图8中示意性示出的传感器802通常将设置在机器人臂或器械上或作为机器人臂或器械的一部分。臂传感器804设置在手术机器人臂上或作为其一部分。器械传感器806设置在手术器械上或作为手术器械的一部分。器械传感器可以被内窥镜传感器替换，其中提供内窥镜来代替手术器械。在其它实施方式中，器械传感器可以位于手术机器人臂上或作为手术机器人臂的一部分。在提供多个传感器例如器械传感器806的情况下，多个传感器的子集可以设置在手术机器人臂上或作为手术机器人臂的一部分，并且多个传感器的不同子集可以设置在手术器械上或作为手术器械的一部分。
88.电外科发生器814被配置成将电力提供到电外科器械，例如烧灼器。可响应于由处理器816发送的控制信号而由电外科发生器814提供特定电力分布。由电外科发生器提供的
电力可以联接到电外科器械(未示出)。
89.处理器816被配置成从传感器802接收传感器输入并将驱动信号提供至致动器808。处理器被配置成根据控制系统处理信号以实现对床旁单元800的各部分的适当控制。处理器可响应于从诸如操作者控制台的另一子系统接收的信号而操作。处理器可以将信号传输到另一个子系统，例如操作者控制台。
90.传感器802、致动器808、电外科发生器814和处理器816中的一个或多个适当地联接到存储器820。这允许将信号和/或其它数据保存到存储器中并从存储器读取。
91.处理器816联接到收发器822，这有利于将由床旁单元800生成的信号传输到另一个子系统。收发器还促进从此类其它子系统接收信号。所接收的信号可以在床旁单元处处理，例如在处理器816处处理。
92.应了解，出于理解本技术的目的，上述对床旁单元800的描述已专注于床旁单元的选定元件(其中机器人臂和联接到机器人臂的器械被认为是床旁单元的一部分)。此描述不一定被认为是此类床旁单元的实际实施的完整描述。
93.测试单元502的示例在图9中示出。测试单元包括处理器900、存储器902、数据库904和收发器906。处理器包括用于模仿操作者控制台402的运动学控制器704的运动学控制器仿真器908。运动控制器仿真器可包括信号发生器模块910，以用于模仿操作者控制台的信号发生器706。运动学控制器仿真器908使测试单元502能够模仿操作者控制台在生成信号(例如，驱动信号)以用于传输到床旁单元时的行为。因此，测试单元502能够例如当联接到一个或多个床旁单元时模仿操作者控制台。
94.处理器900还适当地被配置成处理从操作者控制台接收的信号，并且作为响应生成适当的信号，例如表征床旁单元的响应的响应信号(任选地包括模仿传感器信号和/或致动器信号，和/或电外科信号)。因此，测试单元502能够例如当联接到操作者控制台时模仿一个或多个床旁单元。
95.处理器900联接到存储器902、数据库904和收发器906。存储器902允许处理器存储与被测试单元502模仿的子系统有关的信号和数据。处理器能够访问存储在存储器902中的数据。数据库904包括测试例程912。测试例程适当地涉及测试单元测试手术机器人系统的子系统的预定方式，如本文其它地方更详细地描述的。
96.收发器906促进由测试单元502生成的信号传输到被测子系统。收发器906还有利于从此类子系统接收信号。所接收的信号可以在测试单元处处理，例如在处理器900处处理。
97.应了解，出于理解本技术的目的，上述对测试单元502的描述专注于测试单元的选定元件。此描述不一定被认为是此类测试单元的实际实施的完整描述。
98.测试单元502当测试手术机器人系统的一个或多个子系统时是有用的。测试单元可联接到操作者控制台以使得能够测试由操作者控制台生成的输出和/或操作者控制台对根据操作者控制台输出信号生成的模仿信号的响应。现在提供了这种测试可能具有优势的方式的示例，但应理解，这仅仅是可以使用诸如本文所述的测试单元的许多不同方式的示例。
99.操作者控制台通常用于驱动形成本文所述的床旁单元的一部分的手术机器人臂和器械的运动。可能需要对新的驱动算法进行故障排除或测试，或识别现有驱动算法中故
障的发生。测试单元502的使用可以使操作者控制台能够被测试，而不需要在测试期间提供更大容量的床旁单元。因此，床旁单元可以与不同的操作者控制台结合使用以执行手术程序，从而提高整个系统的运营效率。此外，单个测试单元可以代替多个床旁单元与操作者控制台一起使用。这降低了测试的空间要求，不仅降低了床旁单元本身的尺寸的空间要求，而且还降低了当机器人臂和器械响应于操作者控制台输出的控制信号而移动时确保臂间隙所需的空间的空间要求。
100.在要测试碰撞避免的情况下，使用测试单元可以特别有效。使用带有操作者控制台的床旁单元存在发生臂碰撞的风险，这可能损坏臂，需要维护，可能需要更换。当测试单元代替床旁单元与操作者控制台一起使用时，可由测试单元确定是否发生臂碰撞。因此，使用测试单元可以提高效率并帮助降低测试程序的潜在成本。
101.测试单元可用于例如在手术程序期间在例如发生碰撞的故障之后有效地恢复系统。例如，可以通过使用测试单元来模仿数据(诸如来自可能已经历故障的系统的一部分的遥测数据)来实现此类故障恢复。然后可以分析此模仿数据，例如，与来自可能经历故障的系统部分的数据进行比较。模仿数据(其可以是在未发生故障的情况下的预期数据)与来自潜在故障系统部分的数据的比较可以帮助揭示故障是否已经造成任何损坏发生和/或继续使用整体系统或特别是系统的那部分是否是安全的。该比较可包括比较数据的特征值。该比较可包括比较信号简档。
102.测试单元可以被配置成根据在被模仿的系统部分中已发生的故障来模仿数据。在这种情况下，测试单元可以生成多个数据流。可以根据正被模仿的不同故障或不同故障条件集合生成每个数据流。例如，要模仿的第一故障条件可包括第一类型的碰撞(例如，臂与桌面的碰撞)。要模仿的第二故障条件可包括第二类型的碰撞(例如，两个臂之间的碰撞)。要模仿的第三故障条件可包括臂致动器变得有故障。应了解，许多其它故障等可类似地模仿，包括组合：例如，要模仿的第四故障条件可包括第一类型的碰撞和臂致动器变得有故障。
103.可以将模仿数据流与从被测系统部分获得的数据进行比较。该比较可以帮助识别已发生的故障或故障条件集合。例如，可以识别最密切匹配所获取数据的模仿数据流(例如，根据已知的比较度量，例如，总体信号简档，比较信号的预定义特性等)，并且可以将与该模仿数据流相关联的故障条件或故障条件集合识别为已经发生或最可能已经发生的故障条件或故障条件集合。如上所述，该比较可包括比较数据流的特征值。该比较可包括比较信号简档。
104.可能并不总是可以用这种方式正确地识别故障条件。然而，识别最可能的故障条件可以帮助在以后的分析和维修任务中节省时间，因此测试单元仍可以提供益处。
105.现在将在臂与另一物体的碰撞的背景下讨论示例。测试单元可以联接到正被讨论的臂。测试单元可以例如通过将来自臂的遥测数据与预期信号进行比较来分析来自臂的数据，所述预期信号例如在测试单元自身处生成或测试单元可访问的信号，以查看臂的碰撞是否对臂造成任何机械损坏，或者继续使用臂和/或整体系统是否安全。例如，可以通过将碰撞的冲击力(如从臂遥测数据确定)与阈值(在测试单元处生成或测试单元可访问)进行比较来执行比较。可以通过在臂上运行测试(例如通过使用测试单元驱动测试)并分析从致动器接收的信号来确保它们正常工作来进行分析。
106.使用测试单元的这种方法可以通过消除更换未损坏并且仍然工作良好并且能够安全使用的床旁单元的需要来提高效率。
107.测试单元可用于设计验证和/或规格测试。测试单元适当地能够测试子系统，例如操作者控制台和床旁单元，以确保那些子系统按照设计要求操作。例如，为了确保对给定模仿信号的响应符合该子系统的设计规范。使用测试单元使得能够准确地审核这些子系统将作出的响应，而不需要由例如操作者控制台的输入控制器的人类操作者小心地控制和/或操纵机器人臂。
108.现在将进一步描述测试单元的各方面。
109.测试单元被配置成联接(其可以是操作者控制台或床旁单元)的子系统能够生成具有第一特征行为的第一信号，如在其它地方所论述。特征行为的边界适当地包括最大信号值。测试单元被配置成生成模仿信号，该模仿信号的值大于最大信号值。
110.特征行为的边界可包括最小信号值。测试单元被配置成生成具有比最小信号值小的值的模仿信号。适当地，测试单元被配置成生成超过包含第一信号的第一值范围的值范围的模仿信号。例如，在被测子系统能够生成具有[x,y]的值范围的信号的情况下，测试单元能够适当地生成具有[p,q]的值范围的模仿信号，其中(i)p《x；和/或(ii)q》y。
[0111]
第一特征行为的边界可包括第一信号的可重复性指示。可重复性指示是信号值可重复程度的指示。可重复性指示可包括标准偏差。测试单元被配置成生成具有比所指示的可重复性大的可重复性的模仿信号。也就是说，模仿信号值可以比第一信号值更稳定。信号稳定性的提高有助于更准确的测试程序。
[0112]
第一特征行为的边界可包括第一信号的值的变化率。测试单元被适当地配置成生成具有比边界变化率大的变化率的模仿信号。这可以通过应用比在手术机器人系统的标准操作期间应用的更大的变化率来使子系统能够被“压力测试”。这可以使测试单元能够测试被测试的子系统能够以比此类标准操作期间所需的更快的处理速度适当地响应。
[0113]
测试单元被适当地配置成生成具有比边界变化率小的变化率的模仿信号。因此，测试单元可以检查被测试子系统能够适当地响应更慢的时变信号。例如，这可用于测试随时间推移对信号漂移的响应。
[0114]
测试单元被适当地配置成从一组模仿信号生成一个或多个模仿信号，该组模仿信号中的每个模仿信号代表可由第一子系统生成的信号。第一子系统被适当地配置成以一组模式中的一种模式操作。例如，可能存在操作控制模式，其中操作者控制台可操作地联接以驱动手术机器人臂并操作手术机器人器械。还可以存在离合器模式，其中操作者控制台被配置成使得操作者输入不驱动至少一个器械。许多其他模式是可能的。该组模仿信号可以对应于手术机器人系统的所述一组模式。例如，该组模仿信号中的一个模仿信号可以对应于操作控制模式。该组模仿信号中的另一模仿信号可对应于离合器模式。因此，从该组模仿信号中选择模仿信号可用于模仿选择性启用和/或禁用手术机器人系统中可能的各种控制模式。
[0115]
测试单元不必仅联接到手术机器人系统的一个子系统。在一些实施方案中，测试单元可以联接到多于一个子系统。测试单元被配置成联接到的不同子系统不一定是相同类型。例如，测试单元可以联接到操作者控制台和床旁单元。适当地，测试单元被配置成通过生成代表第二子系统的第二信号以在第一子系统处接收的另一模仿信号来模仿第二子系
统，所述第二信号具有第二特征行为。该另一模仿信号适当地具有超过第二信号的第二特征行为的另一边界的模仿行为，使得测试单元可操作以超出第二子系统的能力测试第一子系统。适当地，测试单元被配置成通过传输所生成的另一模仿信号以用于在第一子系统处接收来模仿第二子系统。测试单元还可被配置成通过从第一子系统接收指示第一子系统对另一模仿信号的响应的另一响应信号来模仿第二子系统。测试单元被适当地配置成将所接收的另一响应信号与另一预期信号进行比较，并且基于该比较确定第一子系统的状态。
[0116]
模仿信号可以代表臂控制信号，例如，命令机器人臂移动的信号。模仿信号可包括例如机器人臂的一个或多个关节的一个或多个期望的关节扭矩和/或速度。
[0117]
模仿信号可以代表器械控制信号，例如，命令器械移动的信号。器械适当地联接到手术机器人臂，并且器械控制信号可以经由机器人臂传输到器械。模仿信号可包括例如器械的一个或多个关节的一个或多个期望的关节扭矩和/或速度。模仿信号可包括期望的器械状态，例如，抓握器工具的一对钳口之间的开口角度。模仿信号可包括电外科信号，例如电外科工具的电激活水平。电激活水平可包括施加到工具的电压，或用于工具的功率水平。
[0118]
模仿信号可包括臂和/或器械的所需移动范围。
[0119]
本文所述的测试单元可以作为手术系统的一部分提供。手术系统可包括具有第一子系统(例如，操作者控制台或床旁单元)以及第二子系统(例如，床旁单元或操作者控制台)的手术机器人系统，所述第一子系统被配置成生成具有第一特征行为的第一信号，所述第二子系统被配置成接收第一信号并响应所接收的第一信号。手术系统还可包括手术机器人测试单元。
[0120]
现在将参考图10描述操作测试单元的方法。测试单元可操作以生成代表第一子系统的第一信号的模仿信号1002。该模仿信号具有超过所述第一信号的第一特征行为的边界的模仿行为。测试单元传输所生成的模仿信号以用于在第二子系统处接收1004。
[0121]
测试单元从第二子系统接收指示第二子系统对模仿信号的响应的响应信号1006。测试单元例如通过将所接收的响应信号与预期信号进行比较来分析所接收的响应信号1008，并且基于分析，例如比较确定第二子系统的状态1010。因此，测试单元可操作以超出第一子系统的能力测试第二子系统。
[0122]
测试单元可包括独立模块。因此，测试单元可以配备有必要的处理器等，以及用于与子系统通信的收发器。测试单元可包括在物理上或概念上分开的多个模块。例如，处理模块可以联接到数据存储和传输模块。在一些示例中，测试单元包括计算装置，例如笔记本电脑或平板电脑。如本文中所描述的测试单元的功能可跨越此类模块的任何一个或多个或两个或更多个的组合提供。
[0123]
本文所述的任何处理器或运动学控制器可以是微处理器、控制器或用于处理计算机可执行指令的任何其它合适类型的处理器。在一些示例中，例如在使用片上系统架构的情况下，处理器和/或运动学控制器可包括一个或多个固定功能块(也称为加速器)，该一个或多个固定功能块在硬件(而不是软件或固件)中实施本文所描述的方法的一部分。可以提供包括操作系统或任何其他合适的平台软件的平台软件，以使得诸如实施图10的方法的软件的应用程序软件能够被执行。
[0124]
计算机可执行指令可以使用可由基于计算的装置访问的任何计算机可读介质来提供。计算机可读介质可以包括例如计算机存储介质，例如存储器和通信介质。计算机存储
介质(即，非暂时性机器可读介质)，例如存储器，包括以任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质以存储信息，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eprom、eeprom、闪存或其它存储技术、cd-rom、数字多功能磁盘(dvd)或其它光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于存储信息以供基于计算的装置访问的任何其它非传输介质。相比之下，通信介质可以在调制数据信号例如载波或其它传输机构中包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据。如本文所定义，计算机存储介质不包括通信介质。尽管计算机存储介质(即，非暂时性机器可读介质，例如存储器)可以在基于计算的装置内，但应了解，存储可以被远程分布或定位，并且经由网络或其它通信链路(例如，使用通信接口)访问。
[0125]
在以上描述中，为了便于解释，系统所采取的动作被分成功能块或模块。在实践中，这些块中的两个或更多个可以在架构上组合。这些功能也可以被分成不同的功能块。
[0126]
已经在手术机器人系统的上下文中描述了本发明技术，但所描述的至少一些特征不限于此类系统，而是可以更一般地应用于包括彼此通信的各种子系统的机器人系统。
[0127]
机器人系统可以包括制造系统，例如车辆制造系统、零件处理系统、实验室系统和操纵器，例如用于危险材料的操纵器或手术操纵器。
[0128]
申请人在此独立地公开了本文描述的每个单独的特征以及两个或更多个这种特征的任意组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这些特征或特征的组合是否解决本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。